煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统
技术领域
[0001] 本
发明属于
煤层气试井技术领域，具体涉及一种
煤层气注入压降试井恒流注入及原地
应力测试监测系统。
背景技术
[0002] 试井是获取煤储层特性的重要手段和方法之一，目前，煤层气储层评价常用的试井方法主要有注入/压降测试、DST测试、段塞测试、变流量试井、
水罐测试等。由于注入/压降测试提供的资料准确度高，对于各种煤储层条件适应性好，而且比较经济，因此该方法是目前国内外煤层气试井普遍使用的方法。
[0003] 注入/压降测试包括两部分：一部分是注入过程，另一部分是关井压降过程。首先，按照设计的注入
排量尽可能恒定的向煤层注入液体，达到设计注入时间和井口最高注入压力，而后关井测压降至设计关井时间。测试期间，压力、时间和注入流量等关键技术环节的控制，对准确获取煤层的渗透率、储
层压力等储层参数，有特别重要的意义。
[0004] 注入/压降测试成功实施的一个重要环节是注入流量的稳定调整以及注入压力的实时监控，在
流体的注入过程中，保持其流量的稳定是准确获取储层参数以及识别储层破裂点和其它特殊点的前提；同时，流体的注入使得储层压力增高，稍有不慎将导致
地层的压开而使得储层的特性发生变化，从而造成测试的失败，同时注入压降测试层位地质条件复杂多变、储层物性差异较大，注入测试过程注入流体量从几十升到十几立方米甚至更多，要求恒流注入
泵量的程范围大，因此，高
精度流量和压力实时显示的直观性在煤层气井的注入/压降测试中也就显得尤为重要。研究与探索适合煤储层特性的试井设备工艺，在煤层气井的注入/压降试井中研发恒流注入及原地应力测试监测系统，对于提高煤层气试井测试工作效率、精度，提高测试成功率，准确获取煤储层参数，从而科学指导我国煤层气勘查与开发，具有重要意义。
[0005]
专利号为CN201721302143的专利
申请公开了一种煤层气试井泵定排量泵注自动控制装置，包括
柱塞泵、与所述柱塞泵连接的管柱和控制单元，其通过通过控制
变频器改变柱塞泵的功率来达到控制流量与压力的目的，但在实际生产过程中很难通过控制泵来实现恒定流量与压力注入。一方面，通过变频器控制柱塞泵的控制精度较低，无法精确控制流量与压力；另一方面，如果注入流量较小，需要柱塞泵在很低的功率下运行，容易导致停泵而中断注入过程。
[0006] 针对试井目标层位地质条件复杂多变、储层物性差异较大、测试参数设置困难等问题，如何采用压力与流量之间的关系实现流量精确控制，确保自动控制测试过程中恒流注入且不超过储层设计最大注入压力，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
[0007] 本发明克服
现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统，以提高煤层气注入压降试井恒流注入的精度，并实现原地应力测试的监测。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统，包括水箱、恒流高压泵、高压水管、回流水管、智能
电动阀、流量
传感器、
压力传感器、控
制模块和
人机交互单元，所述恒流高压泵的入口与水箱连接，所述恒流高压泵的出口与高压管线的一端连通；所述回流水管的一端与高压管线连通，另一端与所述智能电动阀的入口连通，所述智能电动阀的出口与所述水箱连通；所述高压管线另一端与第一支路水管和第二支路水管的一端连通，第一支路水管和第二支路水管的另一端与注水管路连通，所述第一支路水管上依次设置有第一
球阀和小流量传感器；所述第二支路水管上依次设置有第二球阀和大流量传感器；压力传感器设置在所述注水管路上；所述小流量传感器、大流量传感器、压力传感器的
信号输出端与所述
控制模块的输入端电连接，所述控制模块的输出端与所述智能电动阀的控制端电连接，所述人机交互单元与所述控制模块双向电连接；所述控制模块用于根据所述小流量传感器和大流量传感器的传感器信号，调节所述智能电动阀的开度，进而调节所述注水管路的流量。
[0009] 所述控制模块包括24V
开关电源模块、串口供电模块、
单片机和信号转换模块，所述24V
开关电源模块用于给所述小流量传感器、大流量传感器和压力传感器供电，所述串口供电模块用于给所述单片机供电，所述小流量传感器7、大流量传感器和压力传感器的信号输出端通过所述信号转换模块与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述智能电动阀的控制端连接；所述单片机用于根据所述小流量传感器或大流量传感器测定的当前流量值与由煤层气注入过程注入时间、注入压力、注入排量关系确定的恒流流量进行比较计算得到流量值偏差，如果流量值偏差大于设定值Δ，则通过PID控制
算法更新控制数据后输出控制
电流信号至反馈至智能电动阀执行器，对智能电动阀开度进行调节。
[0010] 所述人机交互单元用于输入煤层参数并发送至所述单片机，所述单片机内设置有煤层气注入基准参数算法模块，所述煤层气注入基准参数算法模块用于根据所述人机交互单元发送的煤层参数计算注入时间、注入排量、地面最大注入压力以及注入恒流流量值。
[0011] 所述单片机内还设置有压力比较模块，所述压力比较模块用于将压力传感器测量到的压力值与煤层气注入基准参数算法模块计算得到的地面最大注入压力进行比较，判断压力值是否在设定范围，若不在，则提示并中断智能电动阀开度调整。
[0012] 所述单片机内还设置有数据记录模块和曲线生成模块，所述数据记录模块用于将注入过程和原地应力测试过程中压力传感器采集的压力数据和流量传感器采集的流量数据保存至文本，所述曲线生成模块用于根据压力数据和流量数据生成注入压力实时曲线、原地应力压力实时曲线及流量实时曲线。
[0013] 所述的一种煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统，还包括控制
箱体，所述控制模块设置在控制箱体内，所述人机交互单元设置在控制箱体上。
[0014] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0015] 1、本发明通过在恒流高压泵的输出端上连接一个回流水管，通过设置在第一支路和第二支路分别设置球阀和不同量级的流量传感器，当流量较大时，打开第二球阀，通过第二支路中的大流量传感器进行流量测量，当流量较小时，打开第一球阀，通过第一支路中的小流量传感器7进行测量，使得系统
对流量的测量更为精确，此外，通过单片机内的PID控制算法模块对回流水管上的智能电动阀的开度进行控制，以调节注水管路上的水流量为恒流，可以使注水管路中的恒流控制更为精准；
[0016] 2、本发明中，单片机内设置有煤层气注入基准参数算法模块和压力比较模块，一方面可以通过煤层气注入基准参数算法模块对注入参数进行计算得到的注入时间、注入排量和注入压力作为单片机PID控制算法模块的控制基准，另一方面，压力比较模块可以保证系统在地面最大注入压力范围内进行注入过程，保证了注入压降试井的安全性；
[0017] 3、本发明中控制模块设置控制箱内，一方面可以减少数据传输距离和野外环境对系统的干扰，保证数据
稳定性；另一方面也确保运输安全性和操作便捷性。
附图说明
[0018] 图1为本发明
实施例提供的一种煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统的结构示意图，图中虚线为
电路连接；
[0019] 图2为本发明实施例中控制模块的电路模块连接图；
[0020] 图3为本发明实施例中PID控制算法模块的流程示意图；
[0021] 图4为本发明实施例中控制箱的外形示意图；
[0022] 图中：1-水箱、2-高压泵、3-高压水管、4-
回流管、5-第一球阀、6-智能电动阀、7-小流量传感器、8-大流量传感器、9-压力传感器、10-第二球阀、11-单片机控制模块、12-
液晶显示器、13-第一支路水管、14-第二支路水管、15-注水管路。
具体实施方式
[0023] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 如图1所示，本发明实施例提供了一种煤层气注入压降试井恒流注入及原地应力测试监测系统，包括水箱1、恒流高压泵2、高压水管3、回流水管4、智能电动阀6、小流量传感器7、大流量传感器8、第一球阀5、第二球阀10、压力传感器9、控制模块11和人机交互单元12、第一支路水管13、第二支路水管14和注水管路15，所述恒流高压泵2的入口与水箱1连接，所述恒流高压泵2的出口与高压管线3的一端连通；所述回流水管4的一端与高压管线3连通，另一端与所述智能电动阀5的入口连通，所述智能电动阀5的出口与所述水箱1连通；
所述高压管线3另一端与第一支路水管13和第二支路水管14的一端连通，第一支路水管13和第二支路水管14的另一端与注水管路15连通，所述第一支路水管13上依次设置有第一球阀5和小流量传感器7；所述第二支路水管14上依次设置有第二球阀10和大流量传感器8；压力传感器9设置在所述注水管路15上；所述小流量传感器7、大流量传感器8、压力传感器9的信号输出端与所述控制模块10的输入端电连接，所述控制模块10的输出端与所述智能电动阀6的控制端电连接，所述人机交互单元12与所述控制模块11双向电连接；所述控制模块用于根据所述小流量传感器7和大流量传感器8的传感器信号，调节所述智能电动阀6的开度，进而调节所述注水管路15的流量。
[0025] 本实施例中，通过设置在第一支路和第二支路分别设置球阀和不同量级的流量传感器，当流量较大时，打开第二球阀，通过第二支路中的大流量传感器进行流量测量，当流量较小时，打开第一球阀，通过第一支路中的小流量传感器7进行测量，使得系统对流量的测量更为精确，控制更为精准。
[0026] 具体地，如图2所示，所述控制模块11包括24V开关电源模块、串口供电模块、单片机和信号转换模块。其中，所述24V开关电源模块用于将外接220V交流电转化为24V直流
电压，以给所述小流量传感器7、大流量传感器8和压力传感器9供电；所述串口供电模块用于将外给所述单片机供电；所述小流量传感器7、大流量传感器8和压力传感器9的信号输出端通过所述信号转换模块与所述单片机的输入端连接；所述信号转换模块将各个传感器输出的4～20mA的电流转化为0～5V电压信号后，输出给单片机。
[0027] 要实现煤层气注入/压降试井恒流注入及原地应力测试监测的目标，需要设计两类算法，一是煤层气注入基准参数的计算；二是单片机对智能电动阀的控制算法。
[0028] 其中，煤层气注入基准参数计算包括注入时间tinj、注入压力、注入排量等参数的计算，相关参数的计算公式如下：
[0029] tinj＝(69.4φμCtri2)/K； (1)
[0030] twb＝(2210Cμe0.14S)/Kh； (2)
[0031] Pinj＝Pmax-Ph； (3)
[0032] Pmax＝0.8Pb； (4)
[0033]
[0034] 式中：tinj表示注入时间，其单位为h；φ表示孔隙度；μ表示流体黏度，其单位为-1mPa·s；Ct表示总压缩系数，其单位为MPa ；ri表示探测半径，其单位为m；K表示煤层渗透率，其单位为mD；twb表示井筒储集结束时间，其单位为h；C表示表皮系数；h表示煤层有效厚度，其单位为m；Pinj表示地面最大注入压力，其单位为MPa；Pmax表示最大注入压力，其单位为MPa；Ph表示静液柱压力，其单位为MPa；Pb表示煤层破裂压力，其单位为MPa；qinj表示注入排
3
量，其单位为m/d；Pi表示原始储层压力，其单位为MPa；B表示液体体积系数；rw表示井筒半径，其单位为m。
[0035] 因此，本发明实施例中，所述人机交互单元11用于输入煤层参数并发送至所述单片机，所述单片机内设置有煤层气注入基准参数算法模块，所述煤层气注入基准参数算法模块用于根据所述人机交互单元发送的煤层参数，利用上述公式(1)～(5)计算注入时间、注入排量、地面最大注入压力以及注入恒流流量值等等参数。
[0036] 本发明实施例中，单片机对智能电动阀的控制算法中，以煤层气注入参数为基准，通过PID控制算法模块实现。PID控制规律是一种比例、积分、微分基本控制规律组合的复合控制方法，这种控制方法的控制
质量较高，因此这种算法很好的满足本次检测系统的需要，PID控制规律的表达式如式(6)所示。
[0037]
[0038] 式中：KP表示比例增益；TI表示积分时间常数；TD表示微分时间常数；u(t)表示控制量(
控制器输出)；e(t)表示被控量与给定值的偏差。
[0039] 在程序设计中，u(t)为智能电动阀开度控制量的输出，e(t)为流量值输入的偏差，Δ是设置的偏差
阈值，在实验过程中，PID控制器通过对KP、TI、TD三个参数进行调节，确定智能电动阀开度调节值，更新输出控制数据。PID控制器采用增量式PID控制输出，误动作影响较小，适用于本系统的研究。
[0040] 本实施例中，单片机中的PID控制算法模块对注入流量的监测和控制流程如图3所示，单片机进行AD转换处理后进行偏差计算，即根据所述小流量传感器7或大流量传感器8测定的当前流量值与由煤层气注入过程注入时间、注入压力、注入排量关系确定的恒流流量进行比较计算得到流量偏差值，如果流量值偏差|r(t)|大于Δ，则通过PID控制算法更新控制数据后输出控制电流信号至智能电动阀5的执行器，对智能电动阀6开度进行调节，其中，Δ可以根据需要进行设定，例如可以为10％。即流量升高时增大回流管上智能电动阀开度以减小注入高压管内注入流体流量，流量降低时减小回流管上智能电动阀开度以增大注入高压管内注入流体流量，保证注入系统的注入流量与单片机控制模块给定的流量偏差在国标规定的10％以内，实现注入/压降试井恒定流量注入。
[0041] 进一步地，所述单片机内还设置有压力比较模块，所述压力比较模块用于将压力传感器9测量到的压力值与煤层气注入基准参数算法模块计算得到的地面最大注入压力进行比较，判断压力值是否在设定范围，若不在，则提示并中断智能电动阀6开度调整。由压力传感器9采集压力信号并通过信号转换模块进行电流电压转换后传送至单片机，单片机将压力信号进行AD转换处理后，与煤层气注入基准参数算法计算得到的地面最大注入压力值进行比较，计算、判断压力值是否在要求范围内，当达到或超过地面最大注入压力时，程序将提示并中断智能电动阀调整，结束测试，保证在地面最大注入压力范围内进行注入过程。
[0042] 进一步地，所述单片机内还设置有数据记录模块和曲线生成模块，所述数据记录模块用于将注入过程和原地应力测试过程中压力传感器采集的压力数据和流量传感器采集的流量数据保存至文本，所述曲线生成模块用于根据压力数据和流量数据生成注入压力实时曲线、原地应力压力实时曲线及流量实时曲线，以此作为预测破裂压力和闭合压力、及时调整测试方案的依据。
[0043] 进一步地，如图4所示，本实施例的一种煤层气注入压降试井恒流注入及应力测试监测系统，还包括控制箱体，所述控制模块11设置在控制箱体内，所述人机交互单元12为液晶
触摸屏，其设置在控制箱体上。将单片机、信号转换模块、开关电源等电路单元设置在控制箱内，有以下两个优点：(1)减少数据传输距离和野外环境对系统的干扰，保证数据稳定性；(2)确保运输安全性和操作便捷性。
[0044] 其中，控制箱外部输入电源为220V接线，220V电源接入开关电源输出24V电压给信号转换模块、压力传感器、流量传感器供电，单片机通过RS232串口供电。此外，220V电压还给智能电动阀6供电。压力传感器与流量传感器输出4-20mA电流信号，将两路电流信号转换为两路0-5V电压信号经过降压处理输入至单片机进行AD转换处理，单片机控制模块处理后输出电流信号至智能电动阀并对其开度进行调节，实现恒流注入。考虑到初期对压力和流量给定值的计算，通过触屏显示器由
用户界面直接输入注入流量值和地面最大注入压力值。此外，还设计了显示界面，使用串口实现上下位机的通讯，对单片机采集的数据进行实时显示并绘制注入压力史曲线、地应力压力史曲线及流量史曲线，同时将数据保存至文本中。
[0045] 此外，如图4所示，考虑到在现场对压力值和流量值的计算，在控制箱外部除了液晶触摸屏外，还设置了三行式的显示屏，分别用于显示当前压力值、当前流量值、当前液位值。同时在顶部设计两个开关，分别为启/停按钮和控制按钮，分别用来对系统进行供电和单片机控制系统进行操作控制。
[0046] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
